JP2015230466A - Optical waveguide element and optical modulator using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信および光計測分野において用いられる光導波路素子および光変調器に関し、特に、リッジ構造を有する光導波路素子およびこれを用いた光変調器に関する。 The present invention relates to an optical waveguide device and an optical modulator used in the fields of optical communication and optical measurement, and more particularly to an optical waveguide device having a ridge structure and an optical modulator using the same.
インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。 With the spread of the Internet, the amount of communication has increased dramatically, and the importance of optical fiber communication has greatly increased. Optical fiber communication is a technique for converting an electrical signal into an optical signal and transmitting the optical signal through an optical fiber, and is characterized by a wide band, low loss, and resistance to noise.
電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部光変調方式が使われている。 As a method for converting an electric signal into an optical signal, a direct modulation method using a semiconductor laser and an external modulation method using an optical modulator are known. Direct modulation does not require an optical modulator and is low-cost, but there is a limit to high-speed modulation, and external light modulation is used for high-speed and long-distance applications.
光変調器としては、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成した光変調器が実用化されている。４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。 As an optical modulator, an optical modulator in which an optical waveguide is formed by Ti (titanium) diffusion near the surface of a lithium niobate single crystal substrate has been put into practical use. Although a high-speed optical modulator of 40 Gb / s or more has been commercialized, the long total length of around 10 cm is a major drawback.
これに対して、特許文献１では、サファイア単結晶基板上にエピタキシャル成長によりｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を形成し、そのニオブ酸リチウム膜を光導波路として用いたマッハツェンダ型光変調器が開示されている。 On the other hand, Patent Document 1 discloses a Mach-Zehnder type optical modulator in which a c-axis oriented lithium niobate film is formed by epitaxial growth on a sapphire single crystal substrate, and the lithium niobate film is used as an optical waveguide. Yes.
図１０は、上記特許文献１に記載されている従来の光変調器３００の構成を示す断面図である。光変調器３００は、サファイア基板２１上にエピタキシャル成長によりニオブ酸リチウム膜が形成された後、微細加工により長方形状の断面を有する光導波路２２ａ、２２ｂが形成されたものである。光導波路２２ａ、２２ｂの側面と上面はＳｉＯ２バッファ層２３により囲まれていて、いわゆる、埋め込み型の光導波路２２ａ、２２ｂとなっている。光導波路２２ａ、２２ｂの上部には、バッファ層２３を介して、電極２４ａ、２４ｂが配置されている。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional optical modulator 300 described in Patent Document 1. In FIG. In the optical modulator 300, a lithium niobate film is formed on a sapphire substrate 21 by epitaxial growth, and then optical waveguides 22a and 22b having a rectangular cross section are formed by fine processing. The side surfaces and the upper surface of the optical waveguides 22a and 22b are surrounded by the SiO 2 buffer layer 23 to form so-called embedded optical waveguides 22a and 22b. Electrodes 24a and 24b are disposed above the optical waveguides 22a and 22b with a buffer layer 23 interposed therebetween.
光変調器３００用の光導波路２２ａ、２２ｂはシングルモード、もしくは、実質上、一つのモードのみ導波するように設計する必要がある。この特許文献１で示されている埋め込み型の光導波路２２ａ、２２ｂでは、シングルモードの条件を満足するためには、非常に微細な導波路にする必要があるため、作製が困難である。例えば、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード条件を満足する光導波路２２ａ、２２ｂのサイズは、高さが１μｍの場合、幅を１μｍ以下と大変狭くしなければならない。 It is necessary to design the optical waveguides 22a and 22b for the optical modulator 300 so as to guide only a single mode or substantially one mode. The embedded optical waveguides 22a and 22b disclosed in Patent Document 1 are difficult to manufacture because they need to be very fine waveguides in order to satisfy the single mode condition. For example, when the height of the optical waveguides 22a and 22b satisfying the single mode condition at the wavelength of 1550 nm is 1 μm, the width must be very narrow to 1 μm or less.
そこで、本発明者は、埋め込み型ではなく、作製が容易なリッジ型光導波路について検討を進めた。図１１は、従来のリッジ型光導波路素子４００の断面図である。光導波路素子４００は、基板１と、基板１上に形成されたニオブ酸リチウム膜の導波層２とを備え、導波層２はリッジ部３を有している。リッジ部３は、リッジ幅Ｗ１および厚さＴ１を有する１段のリッジ構造となっている。リッジ部３ではない部分の導波層２の厚さをＴ２とする。 Therefore, the present inventor has proceeded with a study on a ridge type optical waveguide that is easy to manufacture, not a buried type. FIG. 11 is a cross-sectional view of a conventional ridge type optical waveguide device 400. The optical waveguide element 400 includes a substrate 1 and a waveguide layer 2 made of a lithium niobate film formed on the substrate 1, and the waveguide layer 2 has a ridge portion 3. The ridge portion 3 has a one-stage ridge structure having a ridge width W1 and a thickness T1. Let T2 be the thickness of the waveguide layer 2 that is not the ridge 3.
リッジ型光導波路素子４００ではリッジ幅Ｗ１を狭くすることで実質的にシングルモードになるものの、伝搬損失が高くなるという問題がある。リッジ幅Ｗ１を広げることで伝搬損失は低くなるものの、ｍ＝１モードが伝搬してしまい、マルチモードになるという別の問題が生じてしまう。 In the ridge type optical waveguide device 400, the ridge width W1 is substantially reduced to a single mode, but there is a problem that propagation loss increases. Propagation loss is reduced by increasing the ridge width W1, but the m = 1 mode is propagated, resulting in another problem of becoming multimode.
このようなリッジ型光導波路素子４００を用いて光変調器を構成すると、光導波路の伝搬損失が高い場合には光変調器の挿入損失が高くなり、また、マルチモードの光導波路では消光比の劣化が問題になる。 When an optical modulator is configured using such a ridge-type optical waveguide device 400, the insertion loss of the optical modulator increases when the propagation loss of the optical waveguide is high, and the extinction ratio of the multimode optical waveguide is high. Deterioration becomes a problem.
本発明は、上記の点を考慮してなされたもので、伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作するリッジ型光導波路素子を提供することを目的とする。また、本発明は、挿入損失が低く、かつ、消光比も高い光変調器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a ridge-type optical waveguide device that has a low propagation loss and operates substantially in a single mode. Another object of the present invention is to provide an optical modulator having a low insertion loss and a high extinction ratio.
本発明者が鋭意検討した結果、従来のリッジ型光導波路においてＴＭモードの伝搬損失が高くなる原因は、ＴＥのスラブモードへの結合であることが分かった。スラブモードとは図１１においてリッジ部３の外側の厚さＴ２の部分に伝搬するモードであり、リッジ部３に拘束されずリークしてしまうモードである。そして、ＴＥスラブモードとの結合を抑制することにより、ＴＭモードの伝搬損失を低くすることができることを見出した。 As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that the cause of the increase in the TM mode propagation loss in the conventional ridge type optical waveguide is the coupling of TE to the slab mode. The slab mode is a mode that propagates to a portion of the thickness T2 outside the ridge portion 3 in FIG. 11, and is a mode that leaks without being constrained by the ridge portion 3. And it discovered that the propagation loss of TM mode could be made low by suppressing the coupling | bonding with TE slab mode.
本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による光導波路素子は、基板と、前記基板上に形成された導波層とを備え、前記導波路層は、断面がリッジ形状を有するリッジ部からなる導波路を有し、前記リッジ部は、第１のリッジ幅および第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１のリッジ幅よりも広く前記基板の幅よりも狭い第２のリッジ幅および前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２の部分との組み合わせからなる２段のリッジ構造を有することを特徴とする。 The present invention is based on such technical knowledge, and an optical waveguide device according to the present invention includes a substrate and a waveguide layer formed on the substrate, and the waveguide layer has a ridge shape in cross section. The ridge portion has a first portion having a first ridge width and a first thickness, and wider than the first ridge width than the width of the substrate. A two-stage ridge structure comprising a combination of a second portion having a narrow second ridge width and a second thickness smaller than the first thickness.
本発明によれば、ＴＭモードの伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作するリッジ型光導波路を提供することができる。１段のリッジ構造を有する従来のリッジ型光導波路においてリッジ幅を狭くするとＴＭモードがＴＥスラブモードと結合してリッジ部の外側に漏れやすくなり、ＴＭモードの伝搬損失が大きくなる。しかし、２段のリッジ構造では、ＴＭモードがＴＥスラブモードと結合しない構造を実現でき、ＴＭモードの伝搬損失を抑えることができる。 According to the present invention, it is possible to provide a ridge type optical waveguide which has a low TM mode propagation loss and substantially operates in a single mode. In a conventional ridge type optical waveguide having a one-stage ridge structure, if the ridge width is narrowed, the TM mode is coupled with the TE slab mode and leaks easily outside the ridge portion, and TM mode propagation loss increases. However, in the two-stage ridge structure, a structure in which the TM mode is not coupled with the TE slab mode can be realized, and the propagation loss of the TM mode can be suppressed.
本発明において、前記導波層は、前記導波路の形成領域以外の領域に設けられ、前記第２の厚さよりも薄い第３の厚さを有する第３の部分をさらに有し、前記第３の厚さＴ３は、前記第１の厚さの半分以下であることが好ましい。第３の部分の厚さが第１の厚さの半分以下である場合には、導波層の第２の部分が有効に機能するので、ＴＭモードの伝搬損失を十分に低減することができる。 In the present invention, the waveguide layer further includes a third portion that is provided in a region other than the region where the waveguide is formed, and has a third thickness that is thinner than the second thickness. The thickness T3 is preferably less than or equal to half of the first thickness. When the thickness of the third portion is less than half of the first thickness, the second portion of the waveguide layer functions effectively, so that the TM mode propagation loss can be sufficiently reduced. .
本発明において、前記第２のリッジ幅は、前記第１リッジ幅の５倍以上であることが好ましい。第２のリッジ幅Ｗ２が第１のリッジ幅Ｗ１の５倍未満である場合にはマルチモードが強くなり、本発明によるリッジ型光導波路を実質的にシングルモードで動作させることが難しい。しかし、第２のリッジ幅が第１のリッジ幅の５倍以上であればマルチモードを抑制することができ、実質的にシングルモードで動作させることができる。 In the present invention, it is preferable that the second ridge width is not less than five times the first ridge width. When the second ridge width W2 is less than 5 times the first ridge width W1, the multimode becomes strong, and it is difficult to operate the ridge type optical waveguide according to the present invention substantially in a single mode. However, if the second ridge width is 5 times or more the first ridge width, the multimode can be suppressed, and the operation can be substantially performed in the single mode.
本発明において、前記導波層はニオブ酸リチウム膜からなることが好ましい。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として好適であるが、光変調器を構成するベースとなる光導波路において従来のリッジ構造を採用する場合には上記のように伝搬損失が高くなるか、あるいはマルチモードになるという問題がある。しかし、上述した２段のリッジ構造によればこれらの問題を解決することができ、伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作するリッジ型光導波路素子を提供することができる。 In the present invention, the waveguide layer is preferably made of a lithium niobate film. Lithium niobate has a large electro-optic constant and is suitable as a constituent material for optical devices such as optical modulators. However, when a conventional ridge structure is employed in the optical waveguide that forms the base of the optical modulator, As described above, there is a problem that the propagation loss becomes high or the multimode is set. However, the above-described two-stage ridge structure can solve these problems, and can provide a ridge-type optical waveguide element that has a low propagation loss and operates substantially in a single mode.
さらに、本発明による光変調器は、上述した本発明の特徴を有する光導波路素子を構成する光導波路を少なくとも一部に用いたことを特徴とする。本発明による高性能な光導波路を用いて光変調器を構成した場合には、挿入損失が低く、かつ、消光比が高い光変調器を実現することができる。 Furthermore, the optical modulator according to the present invention is characterized in that at least a part of the optical waveguide constituting the optical waveguide element having the characteristics of the present invention described above is used. When an optical modulator is configured using a high-performance optical waveguide according to the present invention, an optical modulator having a low insertion loss and a high extinction ratio can be realized.
本発明によれば、伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作するリッジ型光導波路素子を提供できる。また、挿入損失が低く、かつ、消光比も高い光変調器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a ridge type optical waveguide device that has a low propagation loss and operates substantially in a single mode. In addition, an optical modulator having a low insertion loss and a high extinction ratio can be provided.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The subject of the present invention is not limited to the following embodiment. In addition, the constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and substantially the same elements, and the constituent elements can be appropriately combined. Further, the explanatory diagram is schematic, and for convenience of explanation, the relationship between the thickness and the planar dimension may be different from the actual structure within a range in which the effect of the present embodiment can be obtained.
図１は、本発明の実施形態による光導波路素子１００の構成を示す平面図である。光導波路素子１００は光導波路１０を有し、入力側１１から入射した光は光導波路１０を伝搬した後、出力側１２から出射する。 FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an optical waveguide device 100 according to an embodiment of the present invention. The optical waveguide element 100 has an optical waveguide 10, and light incident from the input side 11 travels through the optical waveguide 10 and then exits from the output side 12.
図２は、図１に示した光導波路素子１００のＡ−Ａ'線の断面図である。光導波路素子１００は、基板１と、基板１上に形成された導波層２とを備え、導波層２は断面がリッジ形状（凸形状）を有するリッジ部３からなる光導波路１０を有している。リッジ部３は、リッジ幅Ｗ１および厚さＴ１を有する導波層２の第１の部分２Ａと、第１の部分２Ａを挟んで両側に配置されリッジ幅Ｗ２および厚さＴ２を有する導波層２の第２の部分２Ｂとの組み合わせからなる２段のリッジ構造となっている。ここで、基板１の幅をＷ０とするとき、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ０である。第１の部分２Ａは第２の部分２Ｂの幅方向の中央に位置している。 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the optical waveguide device 100 shown in FIG. The optical waveguide device 100 includes a substrate 1 and a waveguide layer 2 formed on the substrate 1, and the waveguide layer 2 has an optical waveguide 10 including a ridge portion 3 having a ridge shape (convex shape) in cross section. doing. The ridge portion 3 includes a first portion 2A of the waveguide layer 2 having a ridge width W1 and a thickness T1, and a waveguide layer having a ridge width W2 and a thickness T2 disposed on both sides of the first portion 2A. It has a two-stage ridge structure composed of a combination with two second portions 2B. Here, when the width of the substrate 1 is W0, W1 <W2 <W0. The first portion 2A is located at the center in the width direction of the second portion 2B.
導波層２はさらに、光導波路１０の形成領域の外側の領域であって、第２の部分２Ｂに隣接するリッジ部３ではない第３の部分２Ｃを有しており、第３の部分２Ｃの厚さＴ３は第２の部分２Ｂの厚さＴ２よりも薄い。特に限定されないが、第３の部分２Ｃの幅は基板１の幅Ｗ０と等しい。 The waveguide layer 2 further includes a third portion 2C which is a region outside the region where the optical waveguide 10 is formed and which is not the ridge portion 3 adjacent to the second portion 2B, and the third portion 2C. Is smaller than the thickness T2 of the second portion 2B. Although not particularly limited, the width of the third portion 2C is equal to the width W0 of the substrate 1.
リッジ部３を構成する導波層２の第１の部分２Ａのリッジ幅Ｗ１は２．５μｍ以下であることが好ましい。Ｗ１≦２．５μｍであればリッジ型光導波路を実質的にシングルモードで動作させることができる。ここで、光導波路素子１００のリッジ部３はリッジ幅Ｗ２を有する第２の部分を有するので、第１の部分のリッジ幅Ｗ１が２．５μｍ以下であっても伝搬損失を低くすることができる。 It is preferable that the ridge width W1 of the first portion 2A of the waveguide layer 2 constituting the ridge portion 3 is 2.5 μm or less. If W1 ≦ 2.5 μm, the ridge-type optical waveguide can be operated substantially in a single mode. Here, since the ridge portion 3 of the optical waveguide device 100 has the second portion having the ridge width W2, the propagation loss can be reduced even if the ridge width W1 of the first portion is 2.5 μm or less. .
リッジ部３を構成する導波層２の第２の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ２は、第１の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ１の５倍以上であることが好ましい。Ｗ２／Ｗ１＜５の場合にはマルチモードとなり、リッジ型光導波路をシングルモードで動作させることが難しい。しかし、Ｗ２／Ｗ１≧５であればマルチモードを抑制することができ、実質的にシングルモードで動作させることができる。 The ridge width W2 of the second portion 2B of the waveguide layer 2 constituting the ridge portion 3 is preferably 5 times or more the ridge width W1 of the first portion 2B. When W2 / W1 <5, the multimode is selected, and it is difficult to operate the ridge optical waveguide in the single mode. However, if W2 / W1 ≧ 5, the multimode can be suppressed, and the operation can be substantially performed in the single mode.
リッジ幅Ｗ２はＴＭモードがＴＥスラブモードと結合しないように設定する必要があり、これによりＴＭモードの伝搬損失を抑えることができる。 The ridge width W2 needs to be set so that the TM mode does not couple with the TE slab mode, thereby suppressing the TM mode propagation loss.
第１の部分２Ａの厚さＴ１は導波層２の最大厚と等しく、使用波長の１／１０以上、２倍以下であることが好ましい。薄すぎると、導波層２への光の閉じ込めが弱くなり、光導波路として機能しなくなり、また、厚すぎると、マルチモードになり易くなるためである。第２の部分２Ｂの厚さＴ２は、Ｔ１の０．５倍以上０．９９倍以下であることが好ましい。その理由は、Ｔ２が薄すぎると、リッジ部のみに光が閉じ込められ、２段リッジ構造の効果が得られなくなる。Ｔ２が厚すぎると、リッジ導波路として機能しなくなる。 The thickness T1 of the first portion 2A is equal to the maximum thickness of the waveguide layer 2, and is preferably 1/10 or more and 2 or less of the wavelength used. This is because if the thickness is too thin, light confinement in the waveguide layer 2 becomes weak and does not function as an optical waveguide, and if it is too thick, a multimode is likely to occur. The thickness T2 of the second portion 2B is preferably not less than 0.5 times and not more than 0.99 times T1. The reason is that if T2 is too thin, light is confined only in the ridge portion, and the effect of the two-stage ridge structure cannot be obtained. If T2 is too thick, it will not function as a ridge waveguide.
第３の部分２Ｃの厚さＴ３は、第１の部分２Ａの厚さＴ１の半分以下であることが好ましい。第３の部分２Ｃの厚さＴ３が厚すぎると第２の部分２Ｂを設けたことによる効果が十分に得られず、従来の１段のリッジ構造と同じように機能することになり、ＴＭモードの伝搬損失が大きくなるからである。 The thickness T3 of the third portion 2C is preferably less than or equal to half the thickness T1 of the first portion 2A. If the thickness T3 of the third portion 2C is too thick, the effect obtained by providing the second portion 2B cannot be sufficiently obtained, and the same function as the conventional one-stage ridge structure will be obtained. This is because the propagation loss increases.
導波層２はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の膜からなることが好ましい。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として好適だからである。以下、導波層２をニオブ酸リチウム膜とした場合の本発明の構成について詳しく説明する。 The waveguiding layer 2 is preferably made of a lithium niobate (LiNbO 3 ) film. This is because lithium niobate has a large electro-optic constant and is suitable as a constituent material of an optical device such as an optical modulator. Hereinafter, the configuration of the present invention when the waveguide layer 2 is a lithium niobate film will be described in detail.
基板１としてはニオブ酸リチウム膜より屈折率が低いものであれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル膜として形成させることができる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板の結晶方位は特に限定されない。ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の単結晶基板に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。 The substrate 1 is not particularly limited as long as it has a refractive index lower than that of the lithium niobate film. However, a substrate on which the lithium niobate film can be formed as an epitaxial film is preferable, and a sapphire single crystal substrate or a silicon single crystal substrate is preferable. . The crystal orientation of the single crystal substrate is not particularly limited. Lithium niobate films have the property of being easily formed as c-axis oriented epitaxial films on single crystal substrates of various crystal orientations. Since the c-axis oriented lithium niobate film has three-fold symmetry, it is desirable that the underlying single crystal substrate also has the same symmetry. In the case of a sapphire single crystal substrate, the c-plane, In the case of a silicon single crystal substrate, a (111) plane substrate is preferable.
ここで、エピタキシャル膜とは、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、そろって配向している膜のことである。膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向にともにそろって配向しているものである。例えば、第１に２θ−θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。 Here, the epitaxial film is a film that is aligned with the crystal orientation of the underlying substrate or the underlying film. When the film plane is the XY plane and the film thickness direction is the Z-axis, the crystals are aligned along the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. For example, the epitaxial film can be proved by firstly confirming the peak intensity at the orientation position by 2θ-θX-ray diffraction and secondly confirming the pole.
具体的には、第１に２θ−θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ニオブ酸リチウムのｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。 Specifically, first, when measurement by 2θ-θ X-ray diffraction is performed, all peak intensities other than the target surface are 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the target surface. There must be. For example, in the c-axis oriented epitaxial film of lithium niobate, the peak intensity other than the (00L) plane is 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the (00L) plane. (00L) is a display collectively referring to equivalent surfaces such as (001) and (002).
第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウム膜の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４ｘ３＝１２個の極点が観測される。なお、本発明では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。 Second, in pole measurement, it is necessary to see the pole. The condition for confirming the peak intensity at the first orientation position described above shows only the orientation in one direction. Even if the first condition is obtained, the crystal orientation is aligned in the plane. If not, the intensity of the X-ray does not increase at a specific angular position, and no pole is seen. Since LiNbO 3 has a trigonal crystal structure, there are three pole points of LiNbO 3 (014) in the single crystal. In the case of a lithium niobate film, it is known that epitaxial growth occurs in a so-called twin state in which crystals rotated by 180 ° about the c-axis are symmetrically coupled. In this case, since three poles are symmetrically coupled, the number of poles is six. Further, when a lithium niobate film is formed on a (100) plane silicon single crystal substrate, 4 × 3 = 12 poles are observed because the substrate is four-fold symmetric. In the present invention, a lithium niobate film epitaxially grown in a twin state is also included in the epitaxial film.
ニオブ酸リチウム膜の組成はＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５〜１．２であり、好ましくは、０．９〜１．０５である。ｙは、０〜０．５である。ｚは１．５〜４であり、好ましくは２．５〜３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。 The composition of the lithium niobate film is LixNbAyOz. A represents an element other than Li, Nb, and O. x is 0.5 to 1.2, preferably 0.9 to 1.05. y is 0-0.5. z is 1.5 to 4, preferably 2.5 to 3.5. As elements of A, K, Na, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Zn, Sc, Ce, etc. There may be a combination of two or more.
ニオブ酸リチウム膜の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。膜厚がこれ以上厚くなると、高品質な膜を形成するのが困難になるからである。ニオブ酸リチウム膜の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜における光の閉じ込めが弱くなり、基板やバッファ層に光が漏れて導波することになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（１ａ、１ｂ）の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。 The thickness of the lithium niobate film is desirably 2 μm or less. This is because it becomes difficult to form a high-quality film when the film thickness is larger than this. When the lithium niobate film is too thin, light confinement in the lithium niobate film becomes weak, and light leaks to the substrate and the buffer layer and is guided. Even if an electric field is applied to the lithium niobate film, the change in the effective refractive index of the optical waveguide (1a, 1b) may be small. Therefore, the thickness of the lithium niobate film is preferably about 1/10 or more of the wavelength of light used.
ニオブ酸リチウム膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用するのが望ましい。ｃ軸が単結晶基板の主面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。単結晶基板としてサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長できる。単結晶基板としてシリコンを用いる場合は、クラッド層（図示せず）を介して、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長により形成する。クラッド層（図示せず）としては、ニオブ酸リチウム膜より屈折率が低く、エピタキシャル成長に適したものを用いる。例えば、クラッド層（図示せず）としてＹ２Ｏ３を用いると、高品質のニオブ酸リチウム膜を形成できる。 As a method for forming the lithium niobate film, it is desirable to use a film forming method such as a sputtering method, a CVD method, or a sol-gel method. The c-axis is oriented perpendicular to the main surface of the single crystal substrate, and the optical refractive index changes in proportion to the electric field by applying an electric field parallel to the c-axis. When sapphire is used as the single crystal substrate, the lithium niobate film can be epitaxially grown directly on the sapphire single crystal substrate. When silicon is used as the single crystal substrate, a lithium niobate film is formed by epitaxial growth through a cladding layer (not shown). As the cladding layer (not shown), a layer having a refractive index lower than that of the lithium niobate film and suitable for epitaxial growth is used. For example, when Y 2 O 3 is used as a cladding layer (not shown), a high quality lithium niobate film can be formed.
なお、ニオブ酸リチウム膜の形成方法として、ニオブ酸リチウム単結晶基板を薄く研磨する方法も知られている。この方法は、単結晶と同じ特性が得られるという利点があるものの、２μｍ以下の膜厚の薄膜を加工するのは困難である。上述のように、本発明では、成膜によりニオブ酸リチウム膜を形成しているので、量産性があり、大口径化も容易である。 As a method for forming a lithium niobate film, a method of thinly polishing a lithium niobate single crystal substrate is also known. Although this method has an advantage that the same characteristics as a single crystal can be obtained, it is difficult to process a thin film having a thickness of 2 μm or less. As described above, in the present invention, since the lithium niobate film is formed by film formation, it is mass-productive and can easily be increased in diameter.
リッジ部３の形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ部３におけるニオブ酸リチウム膜の膜厚が、光の進行方向と直交する左右のニオブ酸リチウム膜の膜厚より厚ければよい。上に凸のドーム形状、三角形状などであっても良い。図２では、リッジ部３の断面形状は長方形状になっているが、これに限定されるものではない。 The shape of the ridge portion 3 may be any shape that can guide light, and the thickness of the lithium niobate film in the ridge portion 3 is larger than the thickness of the left and right lithium niobate films orthogonal to the light traveling direction. I hope. An upward convex dome shape, a triangular shape, or the like may be used. In FIG. 2, the cross-sectional shape of the ridge portion 3 is a rectangular shape, but is not limited thereto.
図３は、本発明の実施形態によるマッハツェンダ型の光変調器２００の平面図である。光変調器２００は、光導波路１０で形成されたマッハツェンダ干渉計に、電圧を印加して光導波路１０内を伝搬する光を変調するデバイスである。光導波路１０は、２本の光導波路１０ａ、１０ｂに分岐され、光導波路１０ａ、１０ｂ上には、それぞれ１本ずつ、すなわち、２本の第１電極７ａ、７ｂが設けられていて、デュアル電極構造となっている。 FIG. 3 is a plan view of a Mach-Zehnder optical modulator 200 according to an embodiment of the present invention. The optical modulator 200 is a device that modulates light propagating in the optical waveguide 10 by applying a voltage to a Mach-Zehnder interferometer formed by the optical waveguide 10. The optical waveguide 10 is branched into two optical waveguides 10a and 10b, and one each, that is, two first electrodes 7a and 7b are provided on the optical waveguides 10a and 10b. It has a structure.
図４は、光変調器２００のＢ−Ｂ'線の断面図である。なお光変調器２００のＡ−Ａ'線の断面図は図２に示した光導波路素子１００の断面図と同じである。基板１としてサファイア基板を用い、導波層２となるニオブ酸リチウム膜が形成されている。導波層２はリッジ部３からなる光導波路１０ａ、１０ｂを有している。光導波路１０ａを構成するリッジ部３上にはバッファ層５を介して第１電極７ａが形成されており、光導波路１０ｂに対応するリッジ部３上にはバッファ層５を介して第１電極７ｂが形成されている。第２電極８ａ、８ｂ、８ｃは、第１電極７ａ、７ｂを介して互いに離間して設けられており、導波層２の上面と接して形成されている。誘電体層６は、バッファ層５とリッジ部３の側面に接するように形成されている。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the optical modulator 200 taken along line BB ′. The cross-sectional view taken along the line AA ′ of the optical modulator 200 is the same as the cross-sectional view of the optical waveguide device 100 shown in FIG. A sapphire substrate is used as the substrate 1, and a lithium niobate film to be the waveguide layer 2 is formed. The waveguide layer 2 has optical waveguides 10 a and 10 b made of the ridge portion 3. A first electrode 7a is formed on the ridge portion 3 constituting the optical waveguide 10a via a buffer layer 5, and a first electrode 7b is formed on the ridge portion 3 corresponding to the optical waveguide 10b via the buffer layer 5. Is formed. The second electrodes 8a, 8b, and 8c are provided so as to be separated from each other via the first electrodes 7a and 7b, and are formed in contact with the upper surface of the waveguide layer 2. The dielectric layer 6 is formed in contact with the buffer layer 5 and the side surfaces of the ridge portion 3.
光変調器２００の動作原理について説明する。図３において、２本の第１電極７ａ、７ｂと、第２電極８ａ、８ｂ、８ｃを終端抵抗９で接続して、進行波電極として機能させる。第２電極８ａ、８ｂ、８ｃを接地電極とし、２本の第１電極７ａ、７ｂに対して絶対値が同じで正負の異なる位相がずれていない、いわゆる相補信号を光変調器２００の第１電極７ａ、７ｂの入力側１５ａ、１５ｂから入力する。ニオブ酸リチウム膜は電気光学効果を有しているので、光導波路１０ａ、１０ｂに与えられる電界によって光導波路（１０ａ、１０ｂ）の屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、光導波路（１０ａ、１０ｂ）間の位相差が変化する。この位相差の変化により光変調器２００の出射側の光導波路１０ｃから強度変調された信号光が出力側１２に出力される。 The operation principle of the optical modulator 200 will be described. In FIG. 3, two first electrodes 7a, 7b and second electrodes 8a, 8b, 8c are connected by a terminating resistor 9 to function as traveling wave electrodes. The second electrodes 8a, 8b, and 8c are ground electrodes, and so-called complementary signals in which the absolute values are the same and the phases different from each other in positive and negative are not shifted with respect to the two first electrodes 7a and 7b. It inputs from the input sides 15a and 15b of the electrodes 7a and 7b. Since the lithium niobate film has an electro-optic effect, the refractive index of the optical waveguide (10a, 10b) is changed to + Δn and −Δn by the electric field applied to the optical waveguides 10a and 10b, respectively. The phase difference between 10a and 10b) changes. Due to the change in the phase difference, the intensity-modulated signal light is output from the output-side optical waveguide 10 c of the optical modulator 200 to the output side 12.
以上説明したように、本実施形態による光導波路素子１００は、２段のリッジ構造を有するので、ＴＭモードがＴＥのスラブモードと結合することによるリッジ部３の第１の部分２Ａの外側へのリークを抑制することができる。したがって、伝搬損失が低く、実質的にシングルモードで動作する光導波路を実現することができる。さらに、本発明による光変調器２００は、そのような高性能な光導波路を用いて構成されているので、挿入損失が低く、かつ、消光比が高い光変調器を実現することができる。 As described above, since the optical waveguide device 100 according to the present embodiment has a two-stage ridge structure, the TM mode is coupled to the TE slab mode, so that the first portion 2A of the ridge portion 3 is formed outside the first portion 2A. Leakage can be suppressed. Therefore, it is possible to realize an optical waveguide having a low propagation loss and operating substantially in a single mode. Furthermore, since the optical modulator 200 according to the present invention is configured using such a high-performance optical waveguide, it is possible to realize an optical modulator with a low insertion loss and a high extinction ratio.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it is included in the range.
図２に示した２段のリッジ構造を有する実施例および図１１に示した従来の１段のリッジ構造を有する比較例に対して、リッジ幅Ｗ１をパラメータとしてＴＭモードおよびＴＥモードの伝搬損失を測定した。ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍ、第３の部分２Ｃの厚さＴ３＝０．１μｍ、第２の部分２ＢのＷ２＝２１μｍとした。伝搬損失の測定結果を図５、図６にそれぞれ示す。 Compared to the embodiment having the two-stage ridge structure shown in FIG. 2 and the comparative example having the conventional one-stage ridge structure shown in FIG. 11, the propagation loss of the TM mode and the TE mode is measured using the ridge width W1 as a parameter. It was measured. Here, the substrate 1 is a sapphire single crystal, the waveguide layer 2 is a c-axis oriented lithium niobate film, the first portion 2A has a thickness T1 = 1.5 μm, and the second portion 2B has a thickness T2 = 1. 1 μm, the thickness T3 of the third portion 2C was set to 0.1 μm, and W2 of the second portion 2B was set to 21 μm. The measurement results of the propagation loss are shown in FIGS. 5 and 6, respectively.
図５はＴＭモードの伝搬損失であり、比較例では、厚さＷ１が２．５μｍより狭くなると、ＴＭモードの伝搬損失が高くなるが、実施例では、Ｗ１≦２．５μｍにおいても伝搬損失が低く、良好な特性となった。一方、図６はＴＥモードの伝搬損失であり、実施例、比較例ともにＴＥモードの伝搬損失は低く、大差がない結果となった。 FIG. 5 shows the TM mode propagation loss. In the comparative example, when the thickness W1 becomes narrower than 2.5 μm, the TM mode propagation loss increases. However, in the example, the propagation loss also occurs when W1 ≦ 2.5 μm. Low and good characteristics. On the other hand, FIG. 6 shows the TE mode propagation loss. The TE mode propagation loss was low in both the example and the comparative example, and there was no significant difference.
以上のように、導波層を２段リッジ構造にすることにより、Ｗ１≦２．５μｍにおいても、ＴＭモードの伝搬損失が低く、良好な特性を示すことが分かった。特に、導波層がｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜の場合、電気光学特性はＴＥモードよりＴＭモードの方が高く、また、シングルモード動作のために、第１の部分２Ａのリッジ幅Ｗ１は２．５μｍ以下とする必要があるため、本発明が特に有効となる。 As described above, it was found that the propagation loss of the TM mode is low and good characteristics are exhibited even when W1 ≦ 2.5 μm by adopting a two-step ridge structure for the waveguide layer. In particular, when the waveguide layer is a c-axis oriented lithium niobate film, the electro-optical characteristics are higher in the TM mode than in the TE mode, and for the single mode operation, the ridge width W1 of the first portion 2A is Since it is necessary to make it 2.5 μm or less, the present invention is particularly effective.
なお、図５、図６において、本発明の２段リッジ構造は、ＴＭモードに対して有効で、ＴＥモードに対しては効果がない結果となっているが、ＴＥモードに対して有効な場合もある。導波層２をニオブ酸リチウム膜として、ニオブ酸リチウムのｃ軸は基板面内に配向し、光導波路１０の進行方向と直交している場合は、ＴＥモードに対して有効であり、ＴＭモードに対しては効果がない。ｃ軸が面内配向している場合、電気光学特性はＴＭモードよりＴＥモードの方が高く、通常、ＴＥモードで動作させる。このように、本発明の２段リッジ構造は、導波層２をニオブ酸リチウム膜とした場合、ｃ軸が垂直配向および面内配向のいずれの場合にも有効である。 5 and 6, the two-stage ridge structure of the present invention is effective for the TM mode and has no effect for the TE mode, but is effective for the TE mode. There is also. When the waveguide layer 2 is a lithium niobate film and the c-axis of the lithium niobate is oriented in the substrate plane and orthogonal to the traveling direction of the optical waveguide 10, it is effective for the TE mode, and the TM mode There is no effect on. When the c-axis is in-plane-oriented, the electro-optic characteristic is higher in the TE mode than in the TM mode, and is usually operated in the TE mode. Thus, when the waveguide layer 2 is a lithium niobate film, the two-stage ridge structure of the present invention is effective when the c-axis is either vertical or in-plane.
次に、リッジ幅Ｗ２をパラメータとしてＴＭモードの伝搬損失を計算した。ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍ、第３の部分２Ｃの厚さＴ３＝０μｍ、リッジ幅Ｗ１＝２．０μｍとした。ＴＭのｍ＝０モードの光を入射して、２ｍｍ長を伝搬させた後の挿入損失を計算し、伝搬損失を求めた。その結果を図７に示す。 Next, TM mode propagation loss was calculated using the ridge width W2 as a parameter. Here, the substrate 1 is a sapphire single crystal, the waveguide layer 2 is a c-axis oriented lithium niobate film, the first portion 2A has a thickness T1 = 1.5 μm, and the second portion 2B has a thickness T2 = 1. The thickness was set to 1 μm, the thickness T3 of the third portion 2C = 0 μm, and the ridge width W1 = 2.0 μm. The insertion loss after the TM m = 0 mode light was incident and propagated 2 mm in length was calculated to determine the propagation loss. The result is shown in FIG.
図７から明らかなように、ＴＭモードの伝搬損失は、Ｗ２＝１１．０μｍ、１３．９μｍ、１６．９μｍ、１９．８μｍ、２２．８μｍ付近で非常に高くなっている。これは、ＴＭモードがＴＥスラブモードと結合しているためである。一方、リッジ幅Ｗ２を適切に設定することで、ＴＭモードがＴＥスラブモードと結合せず、伝搬損失を低くできることが分かる。図７では、例えば、Ｗ２＝１２〜１３μｍ、１５〜１６μｍ、１８〜１９μｍ、２１〜２２μｍに設定することで、伝搬損失は、０．１ｄＢ／ｃｍ以下となる。±０．５μｍ程度にリッジ幅Ｗ２を制御することは、通常の微細加工技術を用いれば容易であり、本発明は量産性に適している。 As is apparent from FIG. 7, the propagation loss in the TM mode is very high in the vicinity of W2 = 11.0 μm, 13.9 μm, 16.9 μm, 19.8 μm, and 22.8 μm. This is because the TM mode is combined with the TE slab mode. On the other hand, it can be seen that by appropriately setting the ridge width W2, the TM mode does not couple with the TE slab mode, and the propagation loss can be reduced. In FIG. 7, for example, by setting W2 = 12 to 13 μm, 15 to 16 μm, 18 to 19 μm, and 21 to 22 μm, the propagation loss becomes 0.1 dB / cm or less. It is easy to control the ridge width W2 to about ± 0.5 μm using a normal fine processing technique, and the present invention is suitable for mass productivity.
図１１の従来の構造でも、基板１の幅Ｗ０をＴＥスラブモードと結合しないように設定することで、原理的には、伝搬損失を低くできるものの、通常、基板の幅Ｗ０は０．５ｍｍ以上と広く、切断により加工されるものなので、±０．５μｍ程度に制御することは難しく、本発明の２段リッジ構造が有効となる。 In the conventional structure of FIG. 11 as well, in principle, although the propagation loss can be reduced by setting the width W0 of the substrate 1 so as not to be coupled with the TE slab mode, the width W0 of the substrate is usually 0.5 mm or more. Since it is processed by cutting widely, it is difficult to control to about ± 0.5 μm, and the two-stage ridge structure of the present invention is effective.
リッジ幅Ｗ２は、ＴＥスラブモードと結合しないように設定する以外に特に限定されるものではないが、２００μｍ以下が好ましい。Ｗ２を広くすると、精度良く作製するのが困難になり、また、小型化にも不利になるためである。なお、ＴＥスラブモードと結合しないリッジ幅Ｗ２の条件は、リッジ形状により変わるので、計算または実験により、適切なＷ２を定める必要がある。 The ridge width W2 is not particularly limited except that it is set so as not to be coupled with the TE slab mode, but is preferably 200 μm or less. This is because if W2 is widened, it becomes difficult to manufacture with high accuracy, and it is disadvantageous for miniaturization. Note that the condition of the ridge width W2 that is not coupled with the TE slab mode varies depending on the ridge shape, and therefore it is necessary to determine an appropriate W2 by calculation or experiment.
次に、実施例に対して、第２の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ２をパラメータとしたときのＴＭモードの強度分布を計算により求めた。ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、第１の部分の厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分の厚さＴ２＝１．１μｍ、第３の部分の厚さＴ３＝０μｍ、第１の部分のリッジ幅Ｗ１＝２μｍとした。第２の部分のリッジ幅Ｗ２＝２０μｍ、１０μｍ、６μｍの３通りとした。その結果を図８（ａ）〜（ｆ）に示す。 Next, for the example, the TM mode intensity distribution was calculated by using the ridge width W2 of the second portion 2B as a parameter. Here, the substrate 1 is a single crystal of sapphire, the waveguide layer 2 is a c-axis oriented lithium niobate film, the thickness of the first portion T1 = 1.5 μm, the thickness of the second portion T2 = 1.1 μm, The thickness T3 of the third portion was set to 0 μm, and the ridge width W1 of the first portion was set to 2 μm. The ridge width W2 of the second portion was set to three types of 20 μm, 10 μm, and 6 μm. The results are shown in FIGS.
図８（ａ）、（ｃ）、（ｅ）に示すように、ｍ＝０モードの強度分布はＷ２を変えてもほぼ同じであった。一方、図８（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）に示すように、ｍ＝１モードは、Ｗ２を狭くするとｍ＝０モードの分布に近づくことが分かった。シングルモード動作のために、ｍ＝１モードは不要なモードであるが、リッジ幅Ｗ２＝６μｍの場合は、ｍ＝０モードとｍ＝１モードの強度分布が重なっているので、マルチモードとなり問題となる。Ｗ２／Ｗ１≧５となるようにリッジ幅Ｗ２を設定することで、実質的にシングルモード動作を実現できることが分かった。 As shown in FIGS. 8A, 8C, and 8E, the intensity distribution in the m = 0 mode was almost the same even when W2 was changed. On the other hand, as shown in FIGS. 8B, 8D, and 8F, it was found that the m = 1 mode approaches the distribution of the m = 0 mode when W2 is narrowed. The m = 1 mode is unnecessary because of the single mode operation. However, when the ridge width W2 = 6 μm, the intensity distributions of the m = 0 mode and the m = 1 mode overlap with each other, resulting in a multimode problem. It becomes. It has been found that the single mode operation can be substantially realized by setting the ridge width W2 so that W2 / W1 ≧ 5.
次に、実施例において、第３の部分２Ｃの厚さＴ３をパラメータとしたときのＴＭモードの伝搬損失を測定した。ここで、基板１はサファイア単結晶、導波層２はｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍ、第１の部分２Ａのリッジ幅Ｗ１＝２．５μｍ、第２の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ２＝２１μｍとした。その結果を図９に示す。第３の部分２Ｃの厚さＴ３≦０．７５μｍ、すなわち、Ｔ３／Ｔ１≦０．５の場合に、本発明の効果が十分得られることが分かった。 Next, in the example, the TM mode propagation loss was measured using the thickness T3 of the third portion 2C as a parameter. Here, the substrate 1 is a sapphire single crystal, the waveguide layer 2 is a c-axis oriented lithium niobate film, the first portion 2A has a thickness T1 = 1.5 μm, and the second portion 2B has a thickness T2 = 1. 1 μm, the ridge width W1 of the first portion 2A = 2.5 μm, and the ridge width W2 of the second portion 2B = 21 μm. The result is shown in FIG. It has been found that the effect of the present invention can be sufficiently obtained when the thickness T3 ≦ 0.75 μm of the third portion 2C, that is, T3 / T1 ≦ 0.5.
次に、実際に光変調器２００を試作し、特性を評価した。実施例、比較例１、２ともに、第１の部分２Ａの厚さＴ１＝１．５μｍ、第２の部分２Ｂの厚さＴ２＝１．１μｍとした。実施例では、第２の部分２Ｂのリッジ幅Ｗ２＝２１μｍ、第３の部分２Ｃの厚さＴ３＝０．１μｍとした。実施例および比較例のサンプルをそれぞれ１０個作成し、挿入損失と消光比の平均値を求めた。その結果を表１に示す。 Next, the optical modulator 200 was actually made as a prototype and the characteristics were evaluated. In both Example and Comparative Examples 1 and 2, the thickness T1 of the first portion 2A was 1.5 μm, and the thickness T2 of the second portion 2B was 1.1 μm. In the embodiment, the ridge width W2 of the second portion 2B is 21 μm, and the thickness T3 of the third portion 2C is 0.1 μm. Ten samples of each of the examples and comparative examples were prepared, and average values of insertion loss and extinction ratio were obtained. The results are shown in Table 1.
比較例１（Ｗ１＝２μｍ）では、リークにより光導波路の伝搬損失が高くなるため、挿入損失が高い結果となった。また、比較例２（Ｗ１＝２．５μｍ）では、挿入損失は比較的低い結果であったが、ｍ＝１モードが伝搬するマルチモードとなるため、消光比が劣化した。これに対し、実施例では、挿入損失が３．５ｄＢ、消光比が２８ｄＢとなり、両方とも良好な結果が得られた。 In Comparative Example 1 (W1 = 2 μm), the propagation loss of the optical waveguide is increased due to the leakage, resulting in a high insertion loss. In Comparative Example 2 (W1 = 2.5 μm), the insertion loss was a relatively low result, but the extinction ratio was deteriorated because the m = 1 mode was a multimode propagating. On the other hand, in the example, the insertion loss was 3.5 dB and the extinction ratio was 28 dB, and both obtained good results.
１ 基板
２ 導波層
２Ａ 第１の部分
２Ｂ 第２の部分
２Ｃ 第３の部分
３ リッジ部
５ バッファ層
６ 誘電体層
７ａ 電極
８ａ 電極
９ 終端抵抗
１０ 光導波路
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光導波路
１１ 入力側
１２ 出力側
１５ａ，１５ｂ 第１電極の入力側
２１ サファイア基板
２２ａ 光導波路
２３ バッファ層
２４ａ，２４ｂ 電極
１００ 光導波路素子
２００ 光変調器
３００ 光変調器
４００ 光導波路素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2 Waveguide layer 2A 1st part 2B 2nd part 2C 3rd part 3 Ridge part 5 Buffer layer 6 Dielectric layer 7a Electrode 8a Electrode 9 Termination resistor 10 Optical waveguide 10a, 10b, 10c Optical waveguide 11 Input Side 12 Output side 15a, 15b Input side 21 of first electrode Sapphire substrate 22a Optical waveguide 23 Buffer layer 24a, 24b Electrode 100 Optical waveguide element 200 Optical modulator 300 Optical modulator 400 Optical waveguide element
Claims (5)
前記基板上に形成された導波層とを備え、
前記導波層は、断面がリッジ形状を有するリッジ部からなる導波路を有し、
前記リッジ部は、第１のリッジ幅Ｗ１および第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１のリッジ幅よりも広く前記基板の幅よりも狭い第２のリッジ幅および前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２の部分との組み合わせからなる２段のリッジ構造を有することを特徴とする光導波路素子。 A substrate,
A waveguide layer formed on the substrate,
The waveguide layer has a waveguide including a ridge portion having a ridge shape in cross section;
The ridge portion includes a first portion having a first ridge width W1 and a first thickness, a second ridge width that is wider than the first ridge width and narrower than the width of the substrate, and the first ridge width. An optical waveguide element having a two-stage ridge structure composed of a combination with a second portion having a second thickness smaller than the thickness of the second portion.
前記導波路の形成領域以外の領域に設けられ、前記第２の厚さよりも薄い第３の厚さを有する第３の部分をさらに有し、
前記第３の厚さは、前記第１の厚さの半分以下であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。 The waveguide layer is
A third portion provided in a region other than the region where the waveguide is formed and having a third thickness smaller than the second thickness;
2. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the third thickness is equal to or less than half of the first thickness.
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